CN106774387A - 一种无人机避障方法及避障系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机避障方法及避障系统，无人机避障方法主要包括处理器执行部分和控制器执行部分，所述处理器执行部分包括水平方向飞行处理和竖直方向飞行处理，所述控制器执行部分执行处理器处理过的信息。无人机避障系统，包括处理器和控制器，所述处理器还分别连接垂直测距传感器、视频测距装置、存储模块、电子罗盘，所述控制器连接驱动电路。本发明所述的无人机避障方法及避障系统可以在执行任务时迅速的测量出无人机与障碍物的距离，并计算出飞行方向和偏转角度，有效的多避开障碍；所述无人机可以通过通信模块实现人工操作，通过人工操作和无人机自主避障系统及方法的结合可以更加有效的执行任务。

Description

一种无人机避障方法及避障系统

技术领域

本发明属于无人机避障领域，尤其是涉及一种无人机避障方法及避障系统。

背景技术

自主避障系统对于无人机的飞行路径规划能力起着至关重要的作用，是无人机顺利完成飞行任务的重要安全保障。因此，无人机的自主避障系统已成为近年来研究的热点问题之一，现阶段无人机的自主避障与新路径规划大多处于仿真阶段，具有实用性和可行性的较少。如何设计有效而又实用的自主避障系统，保障无人机的安全飞行是一个亟待解决的问题。

目前无人机的避障系统主要是利用超声波传感器来测量无人机和障碍物之间的距离，当无人机和障碍物之间的距离小于预设的安全距离阈值时，无人机改变飞行轨迹，重新进行航迹规划，但超声波避障传感器在测量距离时常常存在盲区。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种无人机避障方法及避障系统，以解决现有无人机避障方法及避障系统功能不完善，容易出错的难题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种无人机避障方法主要包括处理器执行部分和控制器执行部分，所述处理器执行部分根据障碍物位置进行避障处理，所述处理器执行部分包括水平方向飞行处理和竖直方向飞行处理，所述水平方向飞行处理包括建立坐标系、判断偏转方向和计算偏转角度，所述竖直方向飞行处理根据上方和下方垂直方向上的障碍物进行避障处理，所述控制器执行部分执行处理器处理过的信息。

进一步的，所述建立坐标系的方法，具体如下：

S101、视频测距装置实时采集障碍物的图像，并计算障碍物与无人机之间的间距L；

S102、比较间距L与阈值L0的大小；

当L≥L0，返回执行步骤S101；

当L<L0，继续执行步骤S103。

S103、利用电子罗盘采集无人机的飞行方向，以无人机的飞行方向为Y轴，无人机所在位置为原点(0,0)，建立坐标系。

进一步的，所述判断偏转方向的方法为，根据建立的坐标系，所述障碍物的坐标为(X0，Y0)，根据障碍物在X轴上的坐标X0的位置，有以下几种情况；

S201、X0<0，无人机飞行方向向右偏转角度α；

S202、X0＝0，无人机飞行方向向右偏转角度α；

S203、X0>0，无人机飞行方向向左偏转角度α。

进一步的，所述计算偏转角度α，具体方法如下；

D为无人机飞行状态时的直径，即，

进一步的，所述竖直飞行处理方法如下：

S301、上方垂直测距传感器探测到与无人机上方障碍物垂直方向距离为D1，下方垂直测距传感器探测到与无人机下方障碍物垂直方向距离为D2，垂直方向设定的阈值为D0；

S302、比较D1、D2与D0的大小；

当D1≤DO时，无人机向下飞行；

当D2≤D0时，无人机向上飞行；

当D1≤DO，且D2≤D0时，无人机掉头飞行。

进一步的，所述控制器执行部分，具体方法如下；

S4O1、处理器将计算好的偏转角度和竖直飞行方向发送给控制器；

S402、控制器根据偏转角度的值和竖直飞行方向，向电机驱动电路输出相应的PWM控制信号，进而控制无人机的飞行方向。

相对于现有技术，本发明所述的无人机避障方法具有以下优势：

本发明所述的无人机避障方法可以在执行任务时迅速的测量出无人机与障碍物的距离，并计算出飞行方向和偏转角度，有效的多避开障碍；所述无人机可以通过通信模块实现人工操作，通过人工操作和无人机自主避障系统及方法的结合可以更加有效的执行任务。

本发明的另一目的在于提出一种无人机避障系统，以解决现有无人机避障系统功能不完善，躲避障碍时容易出错，信息测量不够准确等难题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种无人机避障系统，包括处理器和控制器，所述处理器和控制器相连接，所述处理器还分别连接垂直测距传感器、视频测距装置、存储模块、电子罗盘，所述视频测距装置通过云台连接无人机本体上，所述垂直测距传感器安装在无人机前端的探测装置上，所述探测装置延伸的长度与无人机前方两个螺旋桨运行时，两个圆的外切线持平，所述无人机本体后方安装配重装置，所述外切线为无人机外围的外切线，所述控制器连接驱动电路。

进一步的，所述垂直测距传感器包括上方垂直测距传感器和下方垂直测距传感器，所述垂直测距传感器安装在探测装置的前端，所述垂直测距传感器为激光测距传感器。

进一步的，所述控制器还连接通信模块，控制器通过通信模块与地面站进行数据信号传输。

进一步的，所述视频测距装置采用支持TOF技术的高速球形摄像机或支持TOF技术的云台摄像机。

所述无人机避障系统与上述无人机避障方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的无人机结构正视图；

图2为本发明实施例所述的无人机结构俯视图；

图3为本发明实施例所述的无人机控制系统结构示意图；

图4为本发明实施例所述的无人机建立坐标系结构示意图；

图5为本发明实施例所述的无人机避障方法水平飞行处理方法流程图。

附图标记说明：

1-无人机本体；2-云台；3-视频测距装置；4-探测装置；5-上方垂直测距传感器；6-配重装置。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图3至图5所示，一种无人机避障方法，主要包括处理器执行部分和控制器执行部分，所述处理器执行部分根据障碍物位置进行避障处理，所述处理器执行部分包括水平方向飞行处理和竖直方向飞行处理，所述水平方向飞行处理包括建立坐标系、判断偏转方向和计算偏转角度，所述竖直方向飞行处理根据上方和下方垂直方向上的障碍物进行避障处理，所述控制器执行部分执行处理器处理过的信息。

建立坐标系的方法，具体如下：

S101、视频测距装置3实时采集障碍物的图像，并计算障碍物与无人机之间的间距L；

S102、比较间距L与阈值L0的大小；

当L≥L0，返回执行步骤S101；

当L<L0，继续执行步骤S103。

S103、利用电子罗盘采集无人机的飞行方向，以无人机的飞行方向为Y轴，无人机所在位置为原点(0,0)，建立坐标系。

判断偏转方向的方法为，根据建立的坐标系，所述障碍物的坐标为(X0，Y0)，根据障碍物在X轴上的坐标X0的位置，有以下几种情况；

S201、X0<0，无人机飞行方向向右偏转角度α；

S202、X0＝0，无人机飞行方向向右偏转角度α；

S203、X0>0，无人机飞行方向向左偏转角度α。

计算偏转角度α，具体方法如下；

D为无人机飞行状态时的直径，即，

竖直飞行处理方法如下：

S301、上方垂直测距传感器5探测到与无人机上方障碍物垂直方向距离为D1，下方垂直测距传感器探测到与无人机下方障碍物垂直方向距离为D2，垂直方向设定的阈值为D0；

S302、比较D1、D2与D0的大小；

当D1≤DO时，无人机向下飞行；

当D2≤D0时，无人机向上飞行；

当D1≤DO，且D2≤D0时，无人机掉头飞行。

控制器执行部分，具体方法如下；

S4O1、处理器将计算好的偏转角度和竖直飞行方向发送给控制器；

S402、控制器根据偏转角度的值和竖直飞行方向，向电机驱动电路输出相应的PWM控制信号，进而控制无人机的飞行方向。

如图1至图3所示，一种无人机避障系统，包括处理器和控制器，所述处理器和控制器相连接，所述处理器还分别连接垂直测距传感器、视频测距装置3、存储模块、电子罗盘，所述视频测距装置3通过云台2连接无人机本体1上，所述垂直测距传感器安装在无人机前端的探测装置4上，所述探测装置4延伸的长度与无人机前方两个螺旋桨运行时，两个圆的外切线持平，所述无人机本体1后方安装配重装置6，所述外切线为无人机外围的外切线，所述控制器连接驱动电路。垂直测距传感器安装在探测装置4最前端可以在无人机刚靠近上方或者下方垂直方向上的障碍物时，可以及时调整飞行方向避免无人机撞上障碍物。

垂直测距传感器包括上方垂直测距传感器5和下方垂直测距传感器，所述垂直测距传感器安装在探测装置4的前端，所述垂直测距传感器为激光测距传感器。上方垂直测距传感器5可以探测与上方障碍物垂直方向上的距离，所述下方垂直测距传感器可以探测下方障碍物垂直方向上的距离。

控制器还连接通信模块，控制器通过通信模块与地面站进行数据信号传输。无人机也可通过通信模块接收来自地面站的控制信号，实现人工控制飞行。

视频测距装置3采用支持TOF技术的高速球形摄像机或支持TOF技术的云台摄像机。所述视频测距装置3采用支持TOF技术的高速球形摄像机或支持TOF技术的云台摄像机，可用于测量障碍物和无人机之间的间距L，所述间距L为障碍物到摄像机镜头的距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机避障方法，其特征在于：主要包括处理器执行部分和控制器执行部分，所述处理器执行部分包括水平方向飞行处理和竖直方向飞行处理，所述水平方向飞行处理包括建立坐标系、判断偏转方向和计算偏转角度，所述竖直方向飞行处理根据上方和下方垂直方向上的障碍物进行避障处理，所述控制器执行部分执行处理器处理过的信息。

2.根据权利要求1所述的无人机避障方法，其特征在于：所述建立坐标系的方法，具体如下：

S101、视频测距装置(3)实时采集障碍物的图像，并计算障碍物与无人机之间的间距L；

S102、比较间距L与阈值L0的大小；

当L≥L0，返回执行步骤S101；

当L<L0，继续执行步骤S103。

S103、利用电子罗盘采集无人机的飞行方向，以无人机的飞行方向为Y轴，无人机所在位置为原点(0,0)，建立坐标系。

3.根据权利要求2所述的无人机避障方法，其特征在于：所述判断偏转方向的方法为，根据建立的坐标系，所述障碍物的坐标为(X0，Y0)，根据障碍物在X轴上的坐标X0的位置，有以下几种情况；

S201、X0<0，无人机飞行方向向右偏转角度α；

S202、X0＝0，无人机飞行方向向右偏转角度α；

S203、X0>0，无人机飞行方向向左偏转角度α。

4.根据权利要求3所述的无人机避障方法，其特征在于：所述计算偏转角度α，具体方法如下；

D为无人机飞行状态时的直径，即，

5.根据权利要求1所述的无人机避障方法，其特征在于：所述竖直方向飞行处理方法如下：

S301、上方垂直测距传感器(5)探测到与无人机上方障碍物垂直方向距离为D1，下方垂直测距传感器探测到与无人机下方障碍物垂直方向距离为D2，垂直方向设定的阈值为D0；

S302、比较D1、D2与D0的大小；

当D1≤DO时，无人机向下飞行；

当D2≤D0时，无人机向上飞行；

当D1≤DO，且D2≤D0时，无人机掉头飞行。

6.根据权利要求1所述的无人机避障方法，其特征在于：所述控制器执行部分，具体方法如下；

S4O1、处理器将计算好的偏转角度和竖直飞行方向发送给控制器；

S402、控制器根据偏转角度的值和竖直飞行方向，向电机驱动电路输出相应的PWM控制信号，进而控制无人机的飞行方向。

7.根据权利要求1所述的无人机避障系统，其特征在于：包括处理器和控制器，所述处理器和控制器相连接，所述处理器还分别连接垂直测距传感器、视频测距装置(3)、存储模块、电子罗盘，所述视频测距装置(3)通过云台(2)连接无人机本体(1)上，所述垂直测距传感器安装在无人机前端的探测装置(4)上，所述探测装置(4)延伸的长度与无人机前方两个螺旋桨运行时，两个圆的外切线持平，所述无人机本体(1)后方安装配重装置(6)，所述外切线为无人机外围的外切线，所述控制器连接驱动电路。

8.根据权利要求7所述的无人机避障系统，其特征在于：所述垂直测距传感器包括上方垂直测距传感器(5)和下方垂直测距传感器，所述垂直测距传感器安装在探测装置(4)的前端，所述垂直测距传感器为激光测距传感器。

9.根据权利要求7所述的无人机避障系统，其特征在于：所述控制器还连接通信模块，控制器通过通信模块与地面站进行数据信号传输。

10.根据权利要求7所述的无人机避障系统，其特征在于：所述视频测距装置(3)采用支持TOF技术的高速球形摄像机或支持TOF技术的云台摄像机。